[发明专利]一种基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的设计方法

摘要

一种基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的设计方法，所述方法首先给出极化周期按照贝塞尔函数进行变化的周期极化铌酸锂晶体模型，然后在给定基于单通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的约束条件后，寻找满足此约束条件时贝塞尔啁啾光栅结构PPLN晶体模型的结构优化设计参数，最后利用这些设计参数确定全光波长转换器的结构。本发明在全光波长转换器的设计过程中综合考虑了转换带宽、转换效率以及转换效率曲线的平坦性三种波长转换特性，不仅可使设计出的波长转换器具有平坦的波长转换效率，而且可以极大地扩展波长转换带宽。

主权项

1.一种基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的设计方法，其特征是，所述方法首先给出极化周期按照贝塞尔函数进行变化的周期极化铌酸锂晶体模型，然后在给定基于单通构型级联SHG+DFG效应的全光波长转换方案的约束条件后，寻找满足此约束条件时贝塞尔啁啾光栅结构PPLN晶体模型的结构优化设计参数，最后利用这些设计参数确定全光波长转换器的结构；具体步骤为：a.给出基于单通构型级联SHG+DFG效应的贝塞尔啁啾光栅结构PPLN晶体的模型：设PPLN晶体总长度为L，x轴的正方向为光在PPLN晶体中的传播方向，沿着光的传播方向，PPLN晶体的极化周期Λ按照公式(1)进行变化，其中Λ0为倍频过程完全相位匹配时均匀周期光栅结构PPLN晶体的极化周期，Jv是第一类贝塞尔函数，下标v代表贝塞尔函数的阶数，γ,τ和ξ为定义的PPLN晶体的三个结构设计参数，其中参数γ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线纵轴方向的尺度，参数τ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的振荡周期，参数ξ用来控制PPLN晶体极化周期沿贝塞尔曲线横轴方向的起点；b.给定波长转换特性的约束条件，设置初始条件，在某一确定晶体长度下寻找满足此约束条件时PPLN晶体的结构参数：①波长转换特性的约束条件包括：最高转换效率、平坦度(即最大转换效率‑3‑dB带宽范围内的平均转换效率)；初始条件包括：泵浦光初始功率、波长、信号光功率及波长变化范围、倍频与差频过程的有效相互作用面积、贝塞尔函数的阶数、工作温度以及PPLN晶体的有效非线性极化系数；②利用龙格‑库塔法对基于SHG+DFG效应的全光波长转换过程的耦合波方程进行求解，得到满足约束条件时PPLN晶体的结构设计参数γ,τ和ξ；基于SHG+DFG效应的全光波长转换过程的耦合波方程如公式(2)‑(5)所示：其中E代表光波的场分布，E的下标s、c、p和SH分别代表信号光、转换光、泵浦光和倍频光；κSHG和κDFG是倍频过程和差频过程的非线性耦合常数；ωi(i＝p,s,c或SH)是光波的角频率；ΔΦSHG(x)和ΔΦDFG(x)是倍频过程和差频过程的相位失配因子；c.改变PPLN晶体长度，确定不同长度时PPLN晶体的结构设计参数γ,τ和ξ；d.利用所得的结构设计参数，确定PPLN晶体的结构，从而得到基于贝塞尔啁啾光栅结构的全光波长转换器的结构。